Європа швидкими темпами розвиватиме агрофотовольтаїку – комбінацію сонячної енергетики та сільського господарства. Це поєднання наразі найбільше використовується для енергонезалежного водопостачання
Застосування сонячних фотовольтаїчних технологій набуває все більшого поширення в різних галузях та шириться від міст до сільської місцевості й пустельних регіонів. Особливо ця тенденція набирає потужності у Європі.
У Європі впевнені, що сільське господарство у поєднанні із сонячною енергетикою стануть потужними драйверами для нової сталої європейської економіки. Торгова асоціація SolarPower Europe створила цільову групу, яка виведе агровольтаїку на перше місце у порядку денному сільськогосподарської політики у Європі. Незабаром ЄС може взяти на себе провідну роль у технологіях агрофотовольтаїки та стати лідером у стандартизації виробів та рішень для даного сегменту.
«Сонячна енергія та сільське господарство можуть йти пліч-о-пліч», – зазначає Вальбурга Хеметсбергер, генеральний директор SolarPower Europe. У цьому вона бачить потрійну вигоду, в якій комбінація різних сфер діяльності збільшує врожай сільськогосподарських культур, зменшує споживання води та виробляє відновлювану електроенергію.
Технологія отримання електроенергії спільно з веденням сільського господарства, яка може бути застосована в місцях з різною географією, у тому числі в регіонах із посушливим кліматом та на островах, покликана зменшити вплив на галузь у зв'язку із зміною клімату, а також прискорити перехід на «зелену» енергію, щоб підвищити стійкість галузі та її незалежність від сезонних/річних коливань цін на вуглеводневе паливо для транспортних та с/г машин.
«Кліматично нейтральна Європа виглядатиме як регіон, де місцеве сільське господарство та недорога сонячна енергія можуть стати драйверами для всієї сталої європейської економіки», – запевняє Хеметсбергер.
Відомо, що спільне використання землі для сільського господарства та генерації енергії, левова частка якої спрямовується на потреби самого с/г підприємства, збільшує ефективність землекористування до 160%.
Президент Європейської комісії Урсула фон дер Ляйєн підтвердила, що гарантії сприятливого інвестиційного клімату для продовольчої та сільськогосподарської системи будуть у центрі втілення Європейської «Зеленої Угоди», створюючи тим самим унікальну можливість для розвитку сільського господарства. Для цього важливо розвивати стійку агрофотоелектричну інфраструктуру, технології, методи та політику, щоб сільськогосподарська діяльність та виробництво електроенергії змогли взаємно отримувати користь з цієї нової комбінації технологій.
Агрофотовольтаїка: різноманіття застосувань
Агрофотовольтаїчні системи відрізняються від звичайних наземних сонячних електростанцій тим, що не просто займають відкриті простори: вони дозволяють одночасно «збирати» електроенергію, вирощувати харчові продукти, причому з вищою врожайністю (деякі культури ростуть краще за певного затінювання).
Найвідомішим прихильником просування ідей агрофотовольтаїки є німецький інститут Фраунгофера ISE.
Рис. 1. Сонячні батареї над полем кукурудзи, Франція
У його дослідницьких проєктах сонячні панелі встановлюються над полями як ряди навісів в такий спосіб, щоб сільськогосподарська техніка могла безперешкодно рухатися під ними (див. рис. 1 і 2). В іншій версії застосовуються ряди вертикально розташованих фотомодулів, між якими можна обробляти землю.
Рис. 2. Сонячна електростанція на полі з пшеницею, Німеччина
Наприклад, агровольтаїчна сонячна електростанція з вертикальними панелями, що встановлена на сільськогосподарських угіддях, створила німецька компанія Next2Sun у районі Азен міста Донауешингена, розташованого на півдні Німеччини у землі Баден-Вюртемберг (див. рис. 3).
Рис. 3. Вертикальне розташування панелей на полі, Німеччина
«Вертикальна» сонячна електростанція має потужність 4,1 мегавата та займає 14 гектарів. Вона складається з 11 тисяч двосторонніх сонячних модулів n-типу PERT від китайського виробника Jolywood потужністю 380 Вт кожен. Усі вони встановлені вертикально на вкопаних у землю 5800 стійках. Особливість проєкту – підвищена ефективність тильної сторони панелей, яка добре вловлює відбите світло від землі та наступних рядів панелей. Очікувана річна генерація цієї агро-СЕС становить приблизно 4850 МВт·год. Станцію підключена до загальної електромережі, за постачання надлишку електроенергії «назовні» його власникам платитимуть у середньому трохи менше ніж 0,06 євро/кВт·год. Проте більшість енергії споживатиметься самим с/г підприємством.
Працюючи в цьому напрямку, компанія EWS Consulting GmbH з Мюндерфінгу (Верхня Австрія) запропонувала свою технологію – готове, масштабоване рішення на основі модульних складених систем (рис. 4), які можна швидко звести прямо на полі та підвищити економічну ефективність землеробства. Конфігурація системи, що отримала назву EWS-Sonnenfeld (Сонячне поле EWS), дозволяє завдяки одновісним трекерам адаптувати нахил фотоелектричних модулів залежно від розташування сонця на небосхилі й, таким чином, збільшити виробництво електроенергії в європейських широтах майже на 18%.
Рис. 4. Агрофотовольтаїчна система з трекером, Австрія
Коли настає час проведення польових робіт чи збирання врожаю, панелі максимально відхиляються, вільно пропускаючи с/г техніку. Ще одна особливість – під стійками з панелями земля засаджена різноманітним різнотрав’ям з квітучими рослинами-медоносами. Це зменшує розповсюдження бур’янів на необроблюваній площі та приваблює бджіл, що додатково підвищує врожайність с/г культур.
Проте при застосуванні агрофотовольтаїки мова не йде виключно про польові культури. У Німеччині, наприклад, доповнили сонячними батареями яблуневий сад. Німецька компанія BayWa r.e. разом з Інститутом систем сонячної енергетики ім. Фраунгофера побудувала експериментальну фотоелектричну систему разом із садом для вирощування яблук та шпалерних ягідних культур. Під проєкт Agri-PV Fruit Growing (див. рис. 5), що став першою установкою такого штибу у Німеччині, на фруктовій фермі Nachtwey відведена ділянка площею 9100 м2. Навіси із сонячних батарей загальною потужністю 258 кВт займають приблизно третину виділеної території. Разом із дослідженням щодо підвищення стійкості сільського господарства до зміни клімату та у освоєнні екологічних технологій вирощування плодів з використанням сонячної енергії, програма передбачає вивчення впливу умов навколишнього середовища на розвиток яблунь 8 сортів та проведення випробувань систем захисту рослин, а також управління затіненням. Буде також перевірено, наскільки ефективно зафіксовані напівпрозорі фотопанелі з поворотними пристроями (трекерами), які можуть захищати рослини від граду, зливи, палючого сонця та іншого несприятливого атмосферного впливу у порівнянні із захисними плівками та протиградовими конструкціями.
Рис. 5. Фотовольтаїчний яблуневий сад, Німеччина
Також планується вивчити залежність зростання культур та їх врожайності від тіні, яку створюють сонячні панелі різних типів. Крім того, метою також є оцінювання фотоелектричної системи з погляду економічної ефективності, естетики та навіть соціальної сумісності.
Електроенергія, що генерується на Agri-PV Fruit Growing, буде витрачатися на зарядку електротрактора Fendt e100 Vario, наданого компанією-виробником AGCO, та на роботу зрошувальної системи ділянки. Також, від сонця живиться холодильний склад ферми, через те, що батареї розміщені на його даху. Спеціалізоване програмне забезпечення дозволяє контролювати фізіологічні параметри рослин й керувати поливом та іншими процесами догляду за культурами, враховуючи прогноз погоди.
Підрозділом BayWa r.e. у Нідерландах GroenLeven спільно з Вагенінгенським університетом вже реалізовано подібний проєкт – там на ягідних фермах вже діють фотоелектричні установки. Наприклад – система потужністю 2,7 МВт, що розміщена на 3,2 га посадок малини (див. рис. 6). У ході реалізації проєкту було використано два типи панелей сонячних батарей з різною світлопроникністю. Робота проводилася у співпраці з The Greenery, міжнародною компанією з продажу свіжих фруктів та овочів, яка контролювала, яким чином фотоелектричні модулі впливають на вегетацію та достигання плоду. Тепер компанія GroenLeven розширює діяльність та закладає нові плантації агрофотовольтаїки, на яких вирощуватиметься ще й полуниця, ожина, чорниця та червона смородина.
Рис. 6. Захисні фотоелектричні панелі над посадками малини, Нідерланди
У Франції для захисту рослин від граду та зливи запропонували розсувні фотоелектричні навіси Ombrea (див. рис. 7), що збільшують врожай та захищають його від граду та надмірного сонячного опромінення у час «теплових хвиль», що трапляються щороку частіше.
Рис. 7. Зсувні сонячні панелі Ombrea для захисту рослинта енергоживлення господарства, Франція
Зсувні сонячні панелі від Ombrea, якими керує автоматика зі штучним інтелектом вже підтвердили очікування, що їх застосування підвищує ефективність виноградарства. Ділянки обробляються електричними тракторами; зсувні елементи також контролюють рівень затінення.
Інформація про поточні умови збирається за допомогою встановлених на полі датчиків та відправляється в дата-центр, де в режимі реального часу дані обробляються за допомогою алгоритмів штучного інтелекту, які, своєю чергою, керують рухом панелей. Таким чином, вдається отримати значно більшу врожайність, особливо для рослин, сприйнятливих до різких змін погоди. Це досягається завдяки можливості контролювати рівень інсоляції, температури, а також завдяки захисту від несприятливих опадів у вигляді снігу чи граду.
Контроль інсоляції
Проблема контролю інсоляції для досягнення оптимальних показників якості овочів та фруктів доволі інтенсивно вивчається, але результати доволі обнадійливі – дуже багато рослин прекрасно ростуть в умовах часткового або контрольованого затінення. Наприклад, дослідники з Університету Арізони встановили, що вирощування рослин у посушливих регіонах (зокрема, гострого перцю та томатів чері) у тіні від сонячних панелей дозволяє підвищити врожайність у 2-3 рази.
Те саме підтвердила група вчених з Університету штату Північна Кароліна, яка провела низку досліджень, присвячених використанню прозорих фотомодулів на дахах теплиць, результати якого були опубліковані у виданні Cell Reports Physical Science. Вчені довели, що часткове затінення практично не впливає на вегетацію рослин, якщо дотримано інші чинники для росту – температура, вологість ґрунту та повітря.
Було з’ясовано, що рослини при надмірному освітленні не використовують цю надлишкову енергію світла. При рівні затінення до 20% навіть не відчутно впливу від спектра освітлення, що попри наявні сонячні елементи потрапляє на рослини. «Ми не тільки не виявили значної різниці між контрольною та експериментальними групами, але й не побачили суттєвих відмінностей залежно від використання різних фотофільтрів», – сказав Брендан О’Коннор, один з учасників дослідження.
Математична модель енергобалансу довела, що парники та теплиці із сонячними елементами, в яких створені оптимальні умови для культивування рослин й помірне затінення, можуть повністю забезпечувати себе електроенергією для опалення, зрошення та керування вентиляцією та рівнем вологості повітря.
Насправді рівень затінення може бути ще більшим, аж до 60%. Це на практиці підтвердили виробники із Литви Solitek (підрозділ виробника офтальмологічних лінз Global BOD), де збираються сонячні панелі загальною потужність 180 МВт на рік. (Компанія Solitek продала свої лінії з виробництва власне сонячних елементів IBC фінському виробнику Valoe ще наприкінці 2020 р., залишивши собі лише монтаж готових панелей). Литовські інженери розробили та випускають M40 – напівпрозорий скляний монокристалічний фотомодуль з подвійним склом з вихідною потужністю 235 Вт для використання в агрофотовольтаїці (див. рис. 8).
Рис. 8. Напівпрозорі фотомодулі для теплиць, Литва
«Панель M40 має потужність 235 Вт та коефіцієнт прозорості 40%, тобто лише до 40% її поверхні пропускають природне світло – це більший рівень затінення, ніж у наших попередніх модулях», – уточнив глава Solitek Юліус Сакалаускас. Новий сонячний модуль має 40 елементів та загальну ефективність перетворення енергії 12,6%.
Пристрій може працювати з максимальною системною напругою 1500 В. Його напруга холостого ходу становить 26,60 В, а струм короткого замикання – 11,01 А.
Сакалаускас пояснив, що компанія напрацювала великий досвід у рамках проєкту будівництва у Малайзії дахової тепличної агроелектростанції потужністю 1,5 МВт.
«Вже тоді стало зрозуміло, що вирощування перцю в більш посушливих та спекотних місцях у тіні сонячних модулів дозволяє досягти набагато більших врожаїв й значно скоротити кількість води, необхідної для поливу. Урожайність овочів та фруктів може збільшитися вдвічі-втричі у порівнянні із звичайним сільським господарством, при цьому врожай дозріває на 30% швидше, ніж у звичайних умовах», – зазначив глава компанії, додавши, що втрати води скоротилися на 65%.
Цікаве рішення щодо поєднання сонячної генерації з вирощуванням рослин запропонували вчені з Німецького центру авіації та космонавтики, які розробили селективний фотоелектричний елемент з аморфного германію на основі ультратонкого поглинача з n-i-p структурою та тонкоплівкового спектрального селективного оптичного фільтра. За словами дослідників, виготовлені за такою технологією сонячні панелі знайдуть якнайширше застосування в агрофотовольтаїчних проєктах, тепличних комплексах та фотобіореакторах. Інноваційний спектрально-селективний елемент (див. рис. 9) при роботі використовує так звану «зелену смугу» та інфрачервону частину спектра, які не потрібні для фотосинтезу. А необхідні рослинам для цього процесу синє та червоне світло вільно проходить через сонячну панель.
Рис. 9. Селективні фотопанелі для агрофотовольтаїки, Німеччина
Агрофотовольтаїка опановує світ
До технології агрофотовольтаїки існує цікавість не тільки в Європі, але й в інших регіонах світу. Значний поступ в цьому напрямі досяг Китай. Прикладом може слугувати те, як китайська сонячна агровольтаїчна станція на 1 ГВт виробляє електрику та ягоди годжі (рис. 10).
Рис. 10. Сонячна електростанція на плантації ягід годжі, Китай
2014 році китайський інтернет-провайдер Baofeng Group вирішив розширити свою сонячну електростанцію, розташовану на 107 км2 напівпустелі. Після введення в експлуатацію другої черги фотоелектричні модулі вироблятимуть 1 ГВт електроенергії. Головна особливість цієї СЕС полягає в тому, що вона поєднана з плантацією дерези звичайної, плоди якої відомі як ягоди годжі.
Спочатку практично неродючі землі засіяли люцерною з метою природного покращення якостей ґрунту, а на самій ділянці збудували сонячну електростанцію з потужністю першої черги 640 МВт, яка почала працювати у 2016 році. У ній використано 13 тисяч інверторів для сонячних батарей від Huawei. Для контролю роботи енергетичних установок застосовується інтелектуальна система управління та квадрокоптери.
Під панелями фотоелементів, встановлених на висоті 2,9 метра від землі, посаджено дерезу. Таким чином було розв’язано питання не лише з генерацією електроенергії, частина якої використовується для поливу, але й з відновленням родючості землі та створення продуктивної плантації. Внаслідок зрошення, що отримує енергію від СЕС, рослинний покрив в цілому у колишній напівпустелі збільшився на 85%, з’явилася фауна – тварини та птахи.
У районі розміщення електростанції випадає мало опадів, тому для рослин створено систему крапельного поливу. Наявність сонячних панелей дозволяє знизити загальні витрати води, оскільки за допомогою затінення землі випаровування вологи з ґрунту зменшується на 30-40%.
Сонячні водяні насоси
Ідея використовувати енергію, що отримана на с/г землях для меліорації, зрошення та поливу – не є новою і не є аж надто складною в реалізації. Але тепер комплекти для сонячних водяних систем різної потужності та призначення випускаються серійно. Наприклад, цим займається китайська компанія ShenZhen RSI Technology C.
Сонячна система електроживлення для водяного насоса в основному складається з чотирьох частин (див рис. 11): фотоелектричного модуля (сонячної панелі), інвертора фотоелектричних водяних насосів, трифазного водяного насосу змінного струму та накопичувача води.
Рис. 11. Принцип роботи сонячної системи живлення водяного насоса
Сонячний елемент поглинає енергію сонячного випромінювання та перетворює її на електричну енергію для забезпечення живлення всієї системи.
Частотний перетворювач (інвертор) для сонячного водяного насоса перетворює вихідну потужність постійного струму фотоелектричної матриці на потужність змінюваного струму й приводить в дію водяний насос, а також регулює вихідну напругу та частоту в реальному часі відповідно до зміни інтенсивності сонячного освітлення для відстеження та досягнення максимальної точки потужності.
Коли інтенсивність сонячного світла слабшає (хмари, ранок чи вечір), система фотоелектричних водяних насосів може виконувати функцію перемикання на споживання електроенергії із загальної мережі, енергія з якої діє як додаткове (резервне) джерело енергії для водяних насосів.
Вода, що отримана від сонячного насоса та попередньо заготована в накопичувачі, може використовуватися для рослинництва, тваринництва, у тепличних господарствах, для водопроводів технічної та питної води тощо.
Керування та контроль водопостачання здійснюється через безпровідні модулі, система годиться для роботи у складі сучасної системи диспетчеризації та обліку енергії як «на вхід», так й «на вихід».
Агрофотовольтаїка у всіх її проявах ще здивує й скептиків сонячної енергетики, які кажуть, що СЕС покриють собою всі продуктивні землі с/г призначення, і прихильників спільного використання площ для ВДЕ та продуктивного землеробства з огляду на швидку появу та розповсюдження винахідливих рішень, які збільшать врожайність, а також допоможуть аграріям вирватися із «енергетичної облоги» й залежності від підвищених цін на паливо кожен раз, коли треба масово проводити сезонні роботи.
За матеріалами: solarpowereurope.org, ise. fraunhofer.de, pv-magazine, EWS Consulting, ShenZhen RSI Technology Co.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 3 012
